mini|Einer der längsten Linearbeschleuniger der Welt (3 km) am SLAC in Kalifornien mini|Ein LINAC am KEK in Japan. Die Ringe (gelb) mit speichenartig angebrachten Wicklungen (braun) sind Quadrupolmagnete zum Fokussieren des Teilchenstrahls. Ein Linearbeschleuniger oder LINAC (von ) ist ein Teilchenbeschleuniger, der geladene Teilchen wie Elektronen, Positronen oder Ionen in gerader Linie beschleunigt.
Fast immer ist mit dieser Bezeichnung eine Anlage gemeint, in der die Beschleunigung durch eine Wechselspannung hoher Frequenz erreicht wird. Die genauere, aber nur selten verwendete Bezeichnung ist daher Hochfrequenz-Linearbeschleuniger (). Gleichspannungsbeschleuniger haben ebenfalls gerade Teilchenbahnen, werden aber üblicherweise nicht als Linearbeschleuniger bezeichnet.F. Hinterberger: Physik der Teilchenbeschleuniger und Ionenoptik. 2. Auflage, Springer, 2008, S. 39. Hier haben sich die Bezeichnungen der einzelnen Typen wie Van-de-Graaff-Beschleuniger, Cockcroft-Walton-Beschleuniger, Dynamitron usw. etabliert.
Im Vergleich zu den verschiedenen Ringbeschleuniger-Arten ist ein Linearbeschleuniger technisch einfacher und vermeidet durch die gerade Teilchenbahn Energieverluste der Teilchen durch Synchrotronstrahlung. Andererseits benötigt er wesentlich mehr Beschleunigungselemente, weil die Teilchen hier jedes Element nur einmal und nicht wiederholt durchlaufen. Für hohe Teilchenenergien sind dadurch Baulängen von vielen Kilometern erforderlich.
Linearbeschleuniger dienen oft Experimenten der Teilchenphysik, entweder direkt oder als Vorbeschleuniger für Forschungs-Synchrotrone. Auch die Elektronensynchrotron-Anlagen zur Erzeugung von Synchrotronstrahlung enthalten meist einen Linearbeschleuniger als Vorstufe. Elektronen-Linearbeschleuniger geringerer Energie werden vor allem zur Erzeugung von Röntgenstrahlung eingesetzt, etwa zur medizinischen Strahlentherapie, Durchstrahlungsprüfung oder Strahlensterilisation.
Erste Entwicklungen: der Wideröe-Beschleuniger mini|hochkant=2.0|Wideröe-Beschleuniger: Die positiven Teilchen (rot) werden im Spalt zwischen den Driftröhren jeweils vorwärts beschleunigt. (Der rote Pfeil stellt die Richtung des elektrischen Feldes dar.) In den ersten Beschleunigern wurden die Teilchen durch Gleichspannungen beschleunigt, wie in einer Elektronenkanone. Die Teilchenenergie entspricht direkt der Betriebsspannung, die technisch begrenzt ist durch Probleme wie Kriechströme, Koronaentladungen oder Lichtbögen. Um dies zu umgehen, wurde 1924 von Gustav Ising ein Wechselspannungs-Linearbeschleuniger vorgeschlagen.G. Ising: Prinzip einer Methode zur Herstellung von Kanalstrahlen hoher Voltzahl. In: Arkiv för Matematik, Astronomi och Fysik. Band 18, Nr. 30, 1924, S. 1–4. Ein solcher Beschleuniger wurde erstmals von Rolf Wideröe 1928 an der RWTH Aachen gebaut.Erik Gregersen: The Britannica Guide to Particle Physics. Rosen Education Service, 2011, ISBN 978-1615303335, S. 116 Die Grundidee besteht darin, dass das Teilchen viele Male der gleichen Beschleunigungsspannung ausgesetzt wird. Trotz einer relativ geringen Spannung erreicht das Teilchen auf diese Weise eine hohe kinetische Energie.
Der Wideröe-Beschleuniger besteht aus vielen rohrförmigen Elektroden, den Driftröhren, die entlang einer geraden Achse angeordnet sind. Diese werden abwechselnd auf ein positives und negatives elektrisches Potential gebracht. Da die Driftröhre selbst wie ein Faradayscher Käfig wirkt, besteht in ihrem Inneren kein elektrisches Feld. Das Teilchen fliegt dort mit konstanter Geschwindigkeit, unbeeinflusst von einer angelegten Spannung. Anders ist das im Spalt zwischen zwei benachbarten Driftröhren; dort wird das Teilchen vom elektrischen Feld beeinflusst. Damit das Teilchen im Spalt immer die zur Vorwärtsbeschleunigung geeignete Feldrichtung vorfindet, muss die Polung der Driftröhren wechseln. Ein solches elektrisches Wechselfeld wird durch eine Wechselspannungsquelle passender Frequenz, einen HF-Generator, erzeugt. In Wideröes ursprünglichem Versuchsaufbau betrug die Frequenz 1 Megahertz. Ist die Länge der Röhre so gewählt, dass die Flugzeit des Teilchens bis zum folgenden Spalt gleich der halben Periodendauer der Wechselspannung ist, findet es auch dort die beschleunigende Feldrichtung vor. Da die Teilchengeschwindigkeit durch jeden Beschleunigungsschritt zunimmt, die Zeit für die Umpolung aber gleich bleibt, muss die Länge der einzelnen Driftröhren entsprechend anwachsen, wie in der Abbildung angedeutet.
Ein 1,2 m langer Wideröe-Beschleuniger mit 30 Driftröhren wurde 1931 in Berkeley von Lawrence gebaut. Er wurde mit einer Spannung von 42 Kilovolt bei 7 Megahertz betrieben und beschleunigte Quecksilberionen auf 1,26 MeV.K. Blasche, H. Prange: Die GSI in Darmstadt, Teil I. Physikalische Blätter Band 33, Juni 1977, S. 249–261, Online
Wideröe-Beschleuniger eignen sich für Teilchengeschwindigkeiten bis zu etwa 5 % der Lichtgeschwindigkeit.F. Hinterberger: Physik der Teilchenbeschleuniger und Ionenoptik. 2. Auflage, Springer, 2008, S. 40. Dies entspricht beispielsweise bei Protonen einer Energie von 1,2 MeV, bei Elektronen mit ihrer kleinen Masse nur 640 eV. Für Elektronen hat der Wideröe-Beschleuniger dementsprechend keine Bedeutung erlangt. Schon bei dieser Geschwindigkeit muss die Driftröhre bei den praktisch verwendbaren Frequenzen mehrere Meter lang sein, und die begrenzte Ausbreitungsgeschwindigkeit des Stroms macht sich bemerkbar.
Moderne Linearbeschleuniger-Konzepte Je höher die Frequenz der Beschleunigungsspannung gewählt wird, umso mehr einzelne Beschleunigungsschübe pro Weglänge erfährt ein Teilchen von gegebener Geschwindigkeit, und umso kürzer kann daher der Beschleuniger insgesamt sein. Deshalb entwickelte sich die Beschleunigertechnik beim Streben nach höheren Teilchenenergien vor allem hin zu höheren Frequenzen.
Die seit etwa 1950 verwendeten Linearbeschleuniger-Konzepte (fachsprachlich oft Beschleunigerstrukturen genannt) arbeiten mit Frequenzen im Bereich von etwa 100 Megahertz (MHz) bis zu einigen Gigahertz (GHz) und nutzen den elektrischen Feldanteil von elektromagnetischen Wellen.
Stehende Wellen und Wanderwellen Wenn es um Energien von mehr als einigen MeV geht, unterscheiden sich Beschleuniger für Ionen von denen für Elektronen. Grund dafür ist der große Massenunterschied der Teilchen. Elektronen sind schon bei wenigen MeV nahe an der Lichtgeschwindigkeit, der absoluten Geschwindigkeitsgrenze; bei weiterer Beschleunigung erhöhen sich, wie von der relativistischen Mechanik beschrieben, fast nur noch ihre Energie und ihr Impuls. Dagegen nimmt bei Ionen dieses Energiebereichs durch weitere Beschleunigung auch die Geschwindigkeit noch stark zu.
Die heute für Ionen gebrauchten Beschleunigungskonzepte beruhen immer auf elektromagnetischen stehenden Wellen, die sich in geeigneten Resonatoren bilden. Je nach Teilchenart, Energiebereich und anderen Parametern werden sehr verschiedene Typen von Resonatoren eingesetzt; die folgenden Abschnitte behandeln nur einige davon. Elektronen können oberhalb einiger MeV ebenfalls mit stehenden Wellen beschleunigt werden. Eine vorteilhafte Alternative ist hier aber eine fortschreitende Welle, eine Wanderwelle. Die Phasengeschwindigkeit der Wanderwelle muss etwa gleich der Teilchengeschwindigkeit sein. Deshalb eignet sich diese Technik nur, wenn die Teilchen schon fast Lichtgeschwindigkeit haben, so dass ihre Geschwindigkeit nur noch sehr wenig zunimmt.
Wesentlich für diese beiden Beschleunigungstechniken war die Entwicklung der Hochfrequenz-Oszillatoren und -Leistungsverstärker ab den 1940er Jahren, insbesondere des Klystrons. Der erste größere Linearbeschleuniger mit stehenden Wellen – für Protonen – wurde 1945/46 im Berkeley Radiation Laboratory unter der Leitung von Luis W. Alvarez gebaut. Die verwendete Frequenz war 200 MHz.Luis W. Alvarez: The design of a proton linear accelerator. In: Physical Review. Band 70, Nr. 9–10, 1946, S. 799–800. Der erste Elektronenbeschleuniger mit Wanderwellen von etwa 2 GHz (Gigahertz) wurde wenig später an der Stanford University von W. W. Hansen und Mitarbeitern entwickelt.E. L. Ginzton, W. W. Hansen, W. R. Kennedy: A Linear Electron Accelerator. In: Review of Scientific Instruments. Band 19, 1948, S. 89–108, .
In den beiden Diagrammen geben Kurve und Pfeile die auf die Teilchen wirkende Kraft an. Nur an den Stellen mit der richtigen Richtung des elektrischen Feldvektors, also der richtigen Kraftrichtung, können Teilchen aus der Welle Energie aufnehmen. (Eine Geschwindigkeitszunahme ist im Maßstab dieser Bilder nicht erkennbar.)
Fokussierung Bei vielen Linearbeschleunigerstrukturen muss der Teilchenstrahl entlang seines Weges durch besondere Maßnahmen fokussiert (zusammengehalten) werden. Dazu werden teils Quadrupolmagnete und Sextupolmagnete verwendet, teils Solenoide, durch die der Strahl entlang ihrer Achse fliegt.F. Hinterberger: Physik der Teilchenbeschleuniger und Ionenoptik. 2. Auflage, Springer, 2008, S. 6 u. 117–146. Die Fokussierungselemente sind abwechselnd mit den beschleunigenden Elementen angeordnet.
Hochfrequenzquadrupol-Beschleuniger mini|Elektroden eines RFQ-Resonators. Der Querschnitt jeder Elektrode ist hyperbelförmig. Zwei Elektroden sind aufgeschnitten dargestellt, um die Kontur zu zeigen. Der Abstand zwischen Achse und Elektrode variiert sinusförmig. Dort, wo der Achsenabstand der horizontalen Elektroden den minimalen Wert a hat, ist er für die vertikalen Elektroden maximal (b) und umgekehrt. Der Hochfrequenzquadrupol-Resonator, meist als RFQ-(radio frequency quadrupole)-Beschleuniger bezeichnet, eignet sich für den gleichen Geschwindigkeitsbereich wie der Wideröe-Beschleuniger, hat aber eine viel kompaktere Bauform. Er wurde 1969 von den russischen Forschern Kapchinskiy und Teplyakov vorgeschlagen.I. M. Kapchinskii, V. A. Teplyakov: Linear Ion Accelerator with spatially homogeneous strong focusing. In: Instrum. Exp. Tech. (USSR) (Engl. Transl.) No. 2, 322-6(1970).Thomas P. Wangler: RF Linear Accelerators. 2. Auflage, John Wiley & Sons, 2008, S. 232. Er verwendet im Inneren eines Hohlraumresonators einen elektrischen Quadrupol. Die vier Elektroden liegen symmetrisch um den Teilchenstrahl, verlaufen parallel zu ihm und sind so geformt, dass ihr Abstand von der Strahlachse wellenförmig variiert. Dadurch erhält das elektrische Wechselfeld der stehenden Welle eine Längskomponente, die abwechselnd in die Strahlrichtung und gegen diese zeigt. Ein eingespeister kontinuierlicher Teilchenstrahl wird dadurch in Teilchenpakete zerlegt und diese werden beschleunigt. Die Querkomponenten des Feldes wirken fokussierend auf den Strahl. Anders als eine magnetische Fokussierung ist diese elektrische Fokussierung auch für sehr langsame Ionen wirksam, weil ihre Kraft nicht von der Teilchengeschwindigkeit abhängt.
RFQ-Resonatoren werden mit Frequenzen bis zu 500 MHz betrieben. Sie werden oft als Vorstufen für Hochenergie-Ionenbeschleuniger genutzt, aber auch im MeV-Energiebereich anstelle von Gleichspannungsbeschleunigern.R. H.Stokes, T. P. Wangler: Radiofrequency Quadrupole Accelerators and Their Applications. In: Annual Review of Nuclear and Particle Science Bd. 38, 1988, S. 97–118, C. Zhang, A. Schempp: Beam dynamics studies on a 200 mA proton radio frequency quadrupole accelerator. In: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A. Bd. 586, Nr. 2, 2008, S. 153–159, .
Zylindersymmetrische Hohlraumresonatoren Funktionsweise